基于802.15.4/ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的物理層設計

摘要：    無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )和ZigBee都是目前研究的熱門(mén)對象。本文簡(jiǎn)要介紹了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的主要優(yōu)勢，重點(diǎn)介紹了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的傳感器節點(diǎn)模型以及可供選擇的幾款傳輸模塊芯片，并給出了一個(gè)實(shí)際的節點(diǎn)設計方案。

關(guān)鍵詞：    無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )；802.15.4；ZigBee節點(diǎn)；無(wú)線(xiàn)傳感器

引言

以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò )為代表的無(wú)線(xiàn)應用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻要求具有較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶(hù)能擁有較長(cháng)的電池壽命和較多的器件陣列。IEEE802.15.4/ZigBee標準把低功耗、低成本作為主要目標，為傳感器網(wǎng)絡(luò )提供了互連互通的平臺。目前基于該技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究和開(kāi)發(fā)得到越來(lái)越多的關(guān)注。

簡(jiǎn)介

IEEE802.15.4規范是一種經(jīng)濟、高效、低數據速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、以及數據鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結構如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結構
 
物理層

物理層采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)技術(shù)，可提供27個(gè)信道用于數據收發(fā)。IEEE802.15.4 定義了2.4GHz頻段和868/915MHz頻段兩種物理層標準。物理層的主要功能包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測，信道接收數據包的鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評估，收發(fā)數據。

數據鏈路層

IEEE802系列標準把數據鏈路層分為媒質(zhì)接入層MAC和邏輯鏈路控制層LLC。IEEE802.15.4的MAC子層支持多種LLC標準。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現設備之間的數據幀傳輸；而LLC子層在MAC子層的基礎上，給設備提供面向連接和無(wú)連接的服務(wù)。MAC子層功能具體包括：協(xié)調器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設備根據協(xié)調器的信標幀與協(xié)調器同步；支持PAN網(wǎng)絡(luò )的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持無(wú)線(xiàn)信道的通信安全；使用CSMA-CA機制；支持保護時(shí)隙(GTS)機制；支持不同設備的MAC層之間的可靠傳輸。LLC子層功能包括：傳輸可靠性保障和控制；數據包的分段與重組；數據包的順序傳輸。

傳感器的顯著(zhù)優(yōu)勢

基于IEEE 802.15.4標準，可在數千個(gè)微小的傳感器之間實(shí)現相互協(xié)調通信。另外，采用接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，可使得通信效率非常高。 一般而言，隨著(zhù)通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò )的標準。ZigBee技術(shù)適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)，特別是傳感器網(wǎng)絡(luò )。

低功耗、低成本

在基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò )中，可以由全功能設備作為Sink節點(diǎn)，終端節點(diǎn)一般使用削減功能設備來(lái)降低系統成本和功耗，提高電池使用壽命。

大容量、短時(shí)延

單個(gè)網(wǎng)絡(luò )中可容納更高密度的節點(diǎn)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )可以容納最多254個(gè)從設備和1個(gè)主設備，一個(gè)區域可以有100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )同時(shí)存在，特別地能滿(mǎn)足大規模傳感器陣列的要求。

協(xié)議簡(jiǎn)單、高安全性

ZigBee協(xié)議棧長(cháng)度平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11的1/4，這種簡(jiǎn)化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。ZigBee 技術(shù)提供了數據完整性檢查和鑒權功能，提供了三級安全模式,可靈活確定其安全屬性，網(wǎng)絡(luò )安全能夠得到有效的保障。

基于IEEE/ZigBee傳感器節點(diǎn)的設計

傳感器節點(diǎn)的硬件參考模型

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(diǎn)一般由傳感器模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。傳感器模塊負責采集監視區域的信息并完成數據轉換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力等；數據處理模塊負責控制整個(gè)節點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數據通信模塊負責與其他節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節點(diǎn)電源由兩節1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進(jìn)一步減小體積。

本文設計的傳感器節點(diǎn)實(shí)現機理是以IEEE/ZigBee 傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集到的信息數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送出去。該節點(diǎn)同樣包IEEE/ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。

傳感器節點(diǎn)的各模塊器件選擇

隨著(zhù)IEEE/ZigBee標準的發(fā)布，世界各大無(wú)線(xiàn)芯片廠(chǎng)商陸續推出了支持該標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。這些芯片大都集成了該標準的物理層功能，可作為傳感器節點(diǎn)的通信模塊。采用微控制器作為處理模塊實(shí)現MAC層功能。